信息新技术在黑臭水体监测治理中的应用——以临沂市黑臭水体监测平台为例

文｜临沂市市政工程建设管理服务中心 薛江儒/北控水务（中国）投资有限公司 耿潇/易智瑞信息技术有限公司 董晓非

一、引言

国务院颁布实施的“水十条”明确要求，到2030年全国城市建成区黑臭水体总体得到消除。临沂市积极响应国家要求，对城区水体进行逐一排查，最终确定了24 段黑臭水体，按照一河一策的整治原则，分别编制了整治方案。截止2018年年底，全市24 段黑臭水体已全部开工整治，其中22 段已完成了相关工程措施治理，消除了黑臭现象。黑臭水体治理攻坚战取得了阶段性胜利，但是这来之不易的成果想要保持长效，需要综合分析临沂市自然和社会经济环境因素，调查污染源分布，结合相关环境条件系统分析黑臭水体污染成因；利用物联监测设备对水质进行实时监测，对超标事件进行预警报警，分析变化趋势；结合外业巡检和人工检测定期对河道水环境进行排查和抽查，针对发现的问题进行快速处置；制定合理的补水调度方案，通过对河道设备进行调控，优化改善水质。以上问题的解决都离不开GIS。

二、地理信息系统

地理信息系统（技术），即GIS，是一种专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统，也是一门关于空间信息处理分析的“科学技术”。随着以云计算、大数据和物联网为代表的新一代IT技术的发展，GIS 融合大IT 技术呈现出更多新的特性，包括物联网+、专业模型+、互联网+、业务流程+，使得地理信息应用更加智能。下面以GIS 技术在黑臭水体治理中应用为例进行介绍。

三、GIS 技术在黑臭水体监测治理中的应用

1.GIS 技术在基础环境分析中的应用

想要搞清楚黑臭水体污染成因，需要综合而全面的分析临沂市的自然、社会、人口、基础设施等的现状。

（1）在基础地理数据收集、管理中的应用。

利用GIS 技术，可以对临沂市污染源数据、河湖水系、城市基础空间数据、规划数据进行统一的收集存储。污染源数据包括：生活污染源、工业污染源、污水处理厂排口监测数据。河湖水系包括：河道、湖泊、重要黑臭断面、重点考核断面、汇水分区、污水分区。城市基础空间数据包括：行政区划、人口分布、道路交通、城市建筑、地形地貌、植被覆盖、土地利用、城市发展等。规划数据包括：城市用地规划、内涝风险区划、雨水工程规划、城市排水规划。设施类数据包括：闸坝、截污闸、雨水管网、污水管线、管线附属设施等。以上基础地理数据的收集分析可以刻画出临沂市整体的自然、经济、人口、基础设施建设情况。

（2）在污染排放强度与污染负荷计算中的应用。

图1 四类污染分布

图2 主导污染分布

图3 雨天月度污染负荷

为了量化分析临沂市水环境中的污染物排放的情况，分别计算了四类污染负荷分布情况，包括生活点源污染分布、工业点源污染分布、农业面源污染分布、径流污染分布。污染分布采用氨氮含量作为关键指标进行计算。经过分析计算，临沂市中心城区以生活源污染和径流污染为主，中心城区以外工业园区分布较多区域以工业污染为主，其他区域多以农业污染为主。综合考虑各个街区的污染情况，发现其各自主导的污染情况又不尽相同。

再结合30年降雨历史数据，以月为单位来分析晴天、雨天污染负荷情况，可以更好的了解污染随时空变化的规律。

（3）在管网分析评价及辅助监测设备选址中的应用。

利用GIS 技术，可以对普查的管网数据进行建模。由于历史遗留问题，现实中经常出现雨污管线的套管、逆坡、淤积、破损等问题。通过管网套管分析，可以找到同流向大管套小管的管段，发现套管问题；通过管段两端连接点之间的高程比对，综合流向信息，进而可以判断管段的逆坡问题；通过管网接入区域分析，综合管网淤积情况，可以分析其汇入污水的主要成分；通过综合管网接入区域人口数据，可以评估其汇入管网的污染物总量。通过管网的溯源分析，可以在针对关键节点溯源，评估其上游管线，上游汇水区域，进而确认、优化污水分区，还可以为后续管网监测设备的布设选址提供依据。

图4 管网溯源分析与污染分区划定

图5 实时监测

图6 监测设备实时报警

2.GIS 技术在水环境监测预警中的应用

利用物联网设备提供的数据访问接口，可以与监测平台进行数据集成，赋予平台物联网+的能力。GIS 结合物联网+典型的应用包括：

（1）实时监测与报警。

与物联设备和已建成的各类信息系统进行数据集成，可以获取到各类监测设备最新的监测指标。结合GIS 的能力，在地图上表达出各监测设备的位置，并根据各类设备报警阈值，动态显示其正常、报警、预警的状态。

（2）历史信息查询与趋势分析。

图7 趋势分析

通过接入物联设备监测信息和其他系统数据内容，建立黑臭水体监测应用大数据中心，存储其原始监测数据、自动生成报警信息、按照日、周、月定时统计其数据变化趋势。通过平台可以查询到某监测设备历史监测信息，监测项值域分布概率，监测值趋势分布等。利用GIS 的天然优势，可以将摄像头监控数据和物联监测数据集成分析，气象数据与物联监测数据集成分析，按照管理片区/河道对报警数据进行统计分析等。

3.GIS 技术在水环境分析决策中的应用

（1）水质分析

GIS 与MIKE 模型相结合，可以直观展现一定时段内河道水质指标的空间分布及各重要断面上的污染物浓度和水质达标率。水质分析基于MIKE 11 一维水动力、水质模型，通过模型运算可以计算出河道污染物浓度的时空间分布，GIS 为其提供所需的河网数据、物联监测数据，同时利用MIKE 模型计算的结果进行空间层面的可视化表达，并完成对后台模型功能的集成调用。

（2）污染诊断

图8 水质分析

污染诊断用于计算一定时段内，目标河流的起点、沿途过程中、及河道终点断面各类别污染物的通量，用以分析该段河道内各来源各类别污染负荷的占比情况，并以此判断各类污染源对河流污染的贡献程度并针对进行治理。GIS 为污染诊断模型，提供所需的河网数据、物联监测数据，点源、面源污染分布数据，同时利用后台模型计算的结果进行地图和图表的联动表达，并完成对后台模型功能的集成调用。

（3）方案模拟

方案模拟用于模拟突发事件或者未知原因引起的水质恶化事件及应对的水质优化方案。通过构建场景，首先模拟出水质恶化的情景，包括各关键参数指标；其次设定方案优化目标，包括达标时间、目标水质等等；最后通过启用不同的补水方案来模拟是否可以满足初始设置，以及比选最优方案。GIS 为其提供所需的河网数据、物联监测数据，同时利用模型计算的结果进行空间层面的可视化表达，并完成对后台模型功能的集成调用。

4.GIS 技术在厂网河联合调度中的应用

利用GIS 技术可以将实时监测、预警、调度指挥等功能集成到一起，构建全场景的厂网河联合调度驾驶舱。首先建立完善的厂网河区域范围内全方位的监测监控体系，实现对河道水质水量、管网水质水量、污水处理厂水质水量的在线监测，实现排水设施的监控与工况记录；其次同时支持厂网、河道的临时调度指令下发，预案调度指令下发、预案调度的设置，实现应急状态下的调度指挥；最后将各片区形成厂网河联动的整体，依靠实时监测的河道水质报警数据，通过数值模型的模拟，结合既定的水质目标，依据优化算法推送的水质优化方案，进行改善效果的预测，为调度补水提供科学的辅助支撑。GIS 技术在其中起到了支撑和粘合剂的作用。

5.GIS 技术在运维巡检中的应用

利用移动GIS 的能力，构建集外业巡检、设备养护、物联信息接入、移动办公、人工检测抽样与一体的移动APP。在外业巡检方面，首先由管理员为外业巡检人员规划路线，下发工单；外业巡检人员收到工单之后，按照指定的路线完成巡检工作，在巡检的过程当中可以实时记录其轨迹信息，并根据需要拍照上传现场情况。管理员收到巡检反馈之后，综合判断，可以结束工单或者启动处置流程。领导通过巡检APP 的消息提醒功能可以对收到需要进行处置的工单，进行批示，安排人员完成现场处置。设备养护的基本流程和外业巡检相同，更侧重于对设备的巡查养护。

6.GIS 在公众参与中的应用

微信作为一款跨平台的通讯工具，在智能手机打天下的今天，几乎每台手机都会安装。依托于微信的小程序相比APP 有如下优势：免安装、即拿即用、不占用手机存储空间、无需针对Android 和IOS 开发两套APP 等。因此将GIS 与微信小程序结合使用，更贴近公众日常生活。通过公众参与随手拍微信小程序可以向公众推送最新的新闻动态、治理成果，实时水质监测信息。在推送信息的同时，还可以接收来自用户反馈的问题。当微信用户通过随手拍小程序提交问题的时候，会获取其当前位置，并自动判断其归属河流河段，方便后续外业人员巡检核实并安排处置工作。

四、小结

“GIS 的应用只与一件事有关,那就是想象力。”Esri 的创始人Jack Dangermond曾经这么说。确实，GIS 从之前的大家所熟知的地理信息的存储、管理、空间分析和可视化表达，到现如今已呈现出了多元化的态势。结合最新的物联网技术，可以实现IOT+GIS；结合专业的水文水动力模型，可以实现专业模型+GIS；结合移动通信、微信小程序等互联网技术，可以实现互联网+GIS；结合外业巡检、反馈确认、实时处置的业务流程，可以实现业务流+GIS。通过GIS 和多种技术手段的结合使用，最终推动GIS 深入业务，服务于黑臭水体监测治理的各个环节。

图9 污染诊断

图10 方案模拟